專利名稱：磁性器件的制造方法和制造裝置、以及磁性器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造磁性器件的方法、 一種制造磁性器件的裝置、及一種 磁性器件。
背景技術(shù)：
利用巨磁(GMR)效應(yīng)和隧穿磁阻(TMR)效應(yīng)的磁阻元件的磁阻變化率 極高，由此應(yīng)用于磁性傳感器、磁性再生頭、及磁性存儲(chǔ)器之類的磁性器件中。
具有約6 15層人工晶格結(jié)構(gòu)的磁阻元件包括具有可旋轉(zhuǎn)自發(fā)磁化方向的 自由層、具有固定自發(fā)磁化方向的固定層、設(shè)置在固定層與自由層之間的非磁 性層、及包括相對(duì)于固定層的單方向各向異性的反鐵磁層。
已知的反鐵磁層包括錳銥(Mnlr)薄膜和鉑錳(PtMn)薄膜(例如，參考 專利文獻(xiàn)1和2)。Mnlr薄膜生成與固定層之間的強(qiáng)磁矯頑力(magnetic coercive force) 。 PtMn薄膜使得磁矯頑力的熱穩(wěn)定性優(yōu)良。
一般使用單方向各向異性常數(shù)jk來(lái)評(píng)價(jià)反鐵磁層與固定層之間的磁矯頑
力。由公式j(luò)k二M^drH^可獲得包括反鐵磁層和固定層的疊層薄膜的單方向各
向昇性Jk。此處，Ms代表固定層的飽和磁化，dp代表固定層的厚度，Hex代表
磁滯曲線中的變化磁場(chǎng)的量級(jí)。
厚度為5 10納米的超薄Mnlr膜中，隨著Mn和Ir的成分比變?yōu)?:1 ，并 且晶體結(jié)構(gòu)按照Ll2型排序，得到極大的單方向各向異性常數(shù)JK。在Mri3lr薄 膜中，磁矯頑力消失溫度，或所謂的阻截溫度(blocking temperature)，為大 于等于360°。由此，Mri3lr薄膜具有關(guān)于磁性的較高熱穩(wěn)定性(專利文獻(xiàn)3)。
一般地，使用高純度的氬(Ar)氣進(jìn)行濺射而制造反鐵磁層。濺射過(guò)程中 壓力超過(guò)1.0(Pa)的高壓濺射處理提高基底溫度Tsub，并且藉此增大單方向各 向異性常數(shù)JK。
圖8示出了 Mnlr用作反鐵磁層、CoFe用作固定層時(shí)的單方向各向異性常 數(shù)Jk。圖8中，濺射壓力為2.0(Pa)，基底溫度Tsub為室溫(20°C) 400°C。 此外，垂直軸代表單方向各向異性常數(shù)JK，水平軸代表對(duì)主要組分為Mn和Ir
的靶所施加的電力密度PD。
如圖8所示，單方向各向異性常數(shù)jk隨著所施加的電力密度Pd増大而増 大。此外，當(dāng)所施加電力密度Pd相同吋，單方向各向異性常數(shù)Jk隨著基底溫 度Tsub增大而增大。疊層膜的單方向各向異性常數(shù)Jk在Mn和Ir的成分比為3:1的Mn3Ir附近到達(dá)最大值。這一與所施加電力密度PD的相關(guān)性意味著所施 加電力密度Pd的増大會(huì)使得Mnlr薄膜的成分更接近Mn3Ir。此外，與基底溫 度Tsub的相關(guān)性意味著基底溫度T^的升高會(huì)促進(jìn)Ll2有序相的形成。
然而，使用上述高壓處理形成反鐵磁層會(huì)導(dǎo)致下列缺陷。濺射粒子中，Ir 粒子之類的粒子質(zhì)量較大。倘若這類大質(zhì)量粒子與Ar粒子碰撞，大質(zhì)量粒子 的運(yùn)動(dòng)方向幾乎不變。相反，當(dāng)Mn粒子之類的小質(zhì)量粒子與殘留的Ar粒子碰 撞時(shí)，小質(zhì)量粒子的運(yùn)動(dòng)方向容易改變。從而，高壓處理會(huì)導(dǎo)致反鐵磁層的成 分和膜厚度在基底平面內(nèi)有較大變化。在厚度均勻性有要求且各層的允許厚度 變化范圍小于等于1納米的磁性器件中，反鐵磁層的這一成分和膜厚度的變化 會(huì)極大地降低器件的磁特性。
可通過(guò)降低濺射壓力來(lái)解決上述缺陷。然而，根據(jù)發(fā)明人進(jìn)行的試驗(yàn)，當(dāng) 濺射過(guò)程中的壓力降低至小于等于O.l (Pa)時(shí)，無(wú)論所施加的電力密度PD或 者基底溫度Tsub如何，疊層膜都不能獲得足夠的單方向各向異性常數(shù)JK。
圖9示出了 Mnlr用作反鐵磁層、CoFe用作固定層時(shí)的單方向各向異性常 數(shù)Jk。圖9中，基底溫度Tsub為室溫(20°C)或350。C，且所施加的電力密度 PD為0.41 (W/cm2) 2.44 (W/cm2)。此外，垂直軸代表單方向各向異性常 數(shù)Jk，水平軸代表濺射壓力(后文簡(jiǎn)稱為處理壓力Ps)。
如圖9所示，當(dāng)基底溫度Tsub為35(TC時(shí)，單方向各向異性常數(shù)JK隨著處 理壓力Ps的減小而緩慢減小，并且最終到達(dá)與基底溫度Tsub為室溫(20°C)時(shí) 的單方向各向異性常數(shù)JK大致相等的量級(jí)(約0.4 (erg/cm2))。相反，當(dāng)基 底溫度Tsub為室溫(20°C)時(shí)，單方向各向異性常數(shù)JK隨著處理壓力Ps的減 小而緩慢增大，但不超過(guò)基底溫度T,ub為350'C時(shí)的單方向各向異性常數(shù)JK。
專利文獻(xiàn)l:第2672802號(hào)日本專利
專利文獻(xiàn)2:第2962415號(hào)日本專利
專利文獻(xiàn)3:第2005-333106號(hào)日本專利公開

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種制造磁性器件的方法、 一種制造磁性器件的裝置、及由在 濺射期間壓力小于等于1.0 (Pa)的低壓處理中增大單方向各向異性常數(shù)Jk的 制造裝置所制造的磁性器件。
本發(fā)明的一個(gè)方面為一種制造磁性器件的方法。所述方法包括將所述基底 放置在成膜室中；將所述基底加熱至預(yù)定溫度；將所述成膜室的壓力減小至小 于等于O.l (Pa);且在已減壓的所述成膜室中，通過(guò)使用Kr和Xe中的至少 一種對(duì)主要成分為形成所述反鐵磁層之元素的靶進(jìn)行濺射，從而在所述基底上 形成所述反鐵磁層。所述反鐵磁層包括由組成式Mn咖.x-Mx (M為Ru、 Rh、Ir及Pt中的至少一種，X的取值范圍為20 (原子％) ^X^30 (原子％))表示 的Lh有序相。
本發(fā)明的另一方面為制造磁性器件的裝置。所述裝置包括容納所述基底的 成膜室；減小所述成膜室的壓力的減壓?jiǎn)卧?；?duì)所述成膜室中的所述基底進(jìn)行 加熱的加熱單元；陰極，其包括主要成分為形成所述反鐵磁層之元素的耙；向 所述成膜室供給Kr和Xe中至少一種的供給單元；控制單元，其驅(qū)動(dòng)所述加熱 單元以將所述基底加熱至預(yù)定溫度、驅(qū)動(dòng)所述減壓?jiǎn)卧詫⑺龀赡な业膲毫?減小至小于等于0.1 (Pa)、驅(qū)動(dòng)所述供給單元以向所述成膜室供給Kr和Xe 中至少一種、及驅(qū)動(dòng)所述陰極以對(duì)所述耙進(jìn)行濺射并且在所述基底上形成所述 反鐵磁層。所述反鐵磁層包括由組成式Mn1(K)-X-Mx (M為Ru、 Rh、 Ir及Pt中 的至少一種，X的取值范圍為20 (原子％) $X$30 (原子％))表示的Ll2有 序相。
本發(fā)明的另一方面為由上述制造裝置所制造的磁性器件。


圖1為磁性器件制造裝置的示意圖； 圖2為反鐵磁層室的側(cè)視剖視圖3為示出單方向各向異性常數(shù)與施加的電力密度的相關(guān)性的圖示； 圖4為示出單方向各向異性常數(shù)與處理壓力的相關(guān)性的圖示； 圖5為示出電阻均勻性與處理壓力的相關(guān)性的圖示；
圖6為示出交換耦合磁場(chǎng)的電阻均勻性與處理壓力的相關(guān)性的圖示； 圖7為示出磁性存儲(chǔ)器的主要部件的示意剖視圖8為示出現(xiàn)有單方向各向異性常數(shù)與施加的電力密度的相關(guān)性的圖示； 圖9為示出現(xiàn)有單方向各向異性常數(shù)與處理壓力的相關(guān)性的圖示。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)參考附圖描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁性器件制造裝置10。圖1為示出磁 性器件制造裝置IO的示意圖。如圖1所示，制造裝置IO包括傳送裝置11、成 膜裝置12、及用作控制單元的控制裝置13。
傳送裝置11包括能夠容納多個(gè)基底S的盒體C，以及傳送基底S的傳送 自動(dòng)機(jī)構(gòu)。在開始在基底S上進(jìn)行成膜處理時(shí)，傳送裝置11將基底S從盒體C 搬入成膜裝置12，并且在基底S的成膜處理結(jié)束時(shí)，傳送裝置11將基底S從 成膜裝置12搬出并且放到盒體S上?；譙例如可由硅、玻璃、AlTiC等形成。
成膜裝置12連接至裝載室FL的傳送室FX以及預(yù)處理室F0，所述裝載室 FL搬入且搬出基板S，所述預(yù)處理室F0用于清洗基板S的表面。傳送室FX還連接至形成反鐵磁層的反鐵磁層室F1以及形成固定層的固定層室F2。傳送 室FX還連接至形成非反鐵磁層的非反鐵磁層室F3以及形成自由層的自由層室 F4。
當(dāng)基底S的成膜處理開始時(shí)，裝載室FL從傳送裝置11接收基底S并且將 基底S傳送至傳送室FX。當(dāng)基底S的成膜處理結(jié)束時(shí)，裝載室FL從傳送室 FX接收基底S并且將基底S傳送到傳送裝置11 。
傳送室FX包括傳送基底S的傳送自動(dòng)機(jī)構(gòu)(未示)。當(dāng)基底S的成膜處 理開始時(shí)，傳送室FX依次將基底S傳送至預(yù)處理室FO、反鐵磁層室F1、固定 層室F2、非反鐵磁層室F3、及自由層室F4。當(dāng)基底S的成膜處理結(jié)束時(shí)，傳 送室FX將基底S從自由層室F4傳送至裝載室FL。
預(yù)處理室F0為對(duì)基底S的表面進(jìn)行濺射，并且對(duì)基底S的表面進(jìn)行濺射 清洗的濺射裝置。
反鐵磁層室Fl為濺射裝置，其包括用于形成襯墊電極層的靶T以及用于 形成反鐵磁層的耙T。反鐵磁層室Fl對(duì)各耙T進(jìn)行濺射以形成金屬膜或反鐵 磁膜，該金屬膜或反鐵磁膜的成分與形成基底S上的各靶T的元素實(shí)質(zhì)相同。 所述具有實(shí)質(zhì)相同組分的膜包括的膜組分與所述靶的組分偏差小于等于10 (原 子％)。
襯墊電極層包括緩和基底S的表面粗糙度的緩沖層和決定所述反鐵磁層的 晶向的種子層。襯墊電極層可由鉭(Ta)、釕(Ru)、鈦(Ti)、鎢(W)、 鉻(Cr)，或者這些元素的合金形成。反鐵磁層通過(guò)同固定層的相互作用將固 定層的磁化方向固定為單一方向。反鐵磁層為由反鐵磁體形成的薄膜，所述反 鐵磁體包括由組成式為Mn10o.x-Mx (M為元素Ru、 Rh、 Ir及Pt中的至少一種， X的取值范圍為20 (原子％) SXS30 (原子％))表示的Ll2有序相。反鐵磁 層例如可由銥錳(IrMn)、鉑錳(PtMn)等形成。
固定層室F2為濺射裝置，該濺射裝置包括多個(gè)用于形成固定層的靶T。固 定層室F2對(duì)各靶T進(jìn)行濺射以形成鐵磁膜，該鐵磁膜的成分與形成基底S上 的各靶T的元素實(shí)質(zhì)相同。固定層為其磁化方向經(jīng)由與反鐵磁層相互作用而固 定為單一方向的鐵磁層。固定層可由鈷鐵(CoFe)、鈷鐵硼(CoFeB)、及鎳 鐵(NiFe)形成。固定層不限于單層結(jié)構(gòu)，并且可為由鐵磁層/磁性連接層/鐵 磁層形成的疊層含鐵結(jié)構(gòu)，例如，CoFe/Ru/CoFeB。
非磁性層室F3為濺射裝置，該濺射裝置包括多個(gè)用于形成非磁性層的靶 T。非磁性層室F3對(duì)各靶T進(jìn)行濺射以形成非磁性膜，該非磁性膜與形成基底 S上的各靶T的元素實(shí)質(zhì)相同。非磁性層為厚度為0.4 2.5的金屬薄膜或者為 其厚度允許隧穿電流沿厚度方向流動(dòng)的絕緣層。非磁性層的電阻值根據(jù)固定層 的自發(fā)磁化與自由層的自發(fā)磁化是否平行而變化。非磁性層例如可由銅(Cu)、
6鋁(Al)、鎂(Mg)，或者這些元素的合金形成。非磁性層還可由氧化鎂(MgO) 或氧化鋁(A1203)形成。
自由層室F4為包括用于形成自由層的靶T和用于形成保護(hù)層的耙T的濺 射裝置。自由層室F4對(duì)各靶T進(jìn)行濺射以形成鐵磁膜或金屬膜，該鐵磁膜或 金屬膜與形成基底S上的各靶T的元素實(shí)質(zhì)相同。自由層具有可使得自發(fā)磁化 方向旋轉(zhuǎn)的矯頑力，并且使得其自發(fā)磁化方向與固定層的自發(fā)磁化方向平行或 不平行。自由層可為CoFe、 CoFeB或NiFe的單層結(jié)構(gòu)，CoFeB/Ru/CoFeB的 疊層含鐵結(jié)構(gòu)，或者CoFe和NiFe的疊層結(jié)構(gòu)。保護(hù)層包括緩和基底S的表面 粗糙度的勢(shì)壘層或者用于環(huán)境空氣的緩沖層。保護(hù)層可由Ta、 Ti、 W、 Cr，或 這些元素的合金形成。
參考圖1，控制裝置13控制制造裝置10以執(zhí)行多種處理。控制裝置13包 括用于執(zhí)行各種計(jì)算的CPU、用于存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)的RAM、以及用于存儲(chǔ)各種 控制程序的ROM或硬盤。例如，控制裝置13從硬盤讀取傳送程序，并且根據(jù) 傳送程序?qū)⒒譙傳送至各個(gè)室。此外，控制裝置13從硬盤讀取用于各層的 成膜條件，并且根據(jù)膜形成條件執(zhí)行用于各層的成膜處理。
如圖1中的雙點(diǎn)劃線所示，控制裝置13電氣連接傳送裝置11和成膜裝置 12的各腔室。傳送裝置11使用各種傳感器(未示)來(lái)檢測(cè)經(jīng)處理的基底S的 數(shù)量和尺寸，并且將檢測(cè)結(jié)果提供至控制裝置13?？刂蒲b置13使用來(lái)自傳送 裝置的檢測(cè)結(jié)果生成與傳送裝置11相對(duì)應(yīng)的第一驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，并且將第一 驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)提供至傳送裝置11。傳送裝置11響應(yīng)第一驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)而執(zhí)行 傳送基底S的處理。成膜裝置12使用各種傳感器(未示)來(lái)檢測(cè)裝載室FL和 反鐵磁層室Fl等各腔室的狀態(tài)，例如基底S的存在以及壓力，并且將檢測(cè)結(jié) 果提供至控制裝置13?？刂蒲b置13使用來(lái)自成膜裝置12的檢測(cè)結(jié)果生成與成 膜裝置12相對(duì)應(yīng)的第二驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，并且將第二驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)提供至成膜 裝置12。成膜裝置12響應(yīng)第二驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)而在基底S上形成膜。
然后，控制裝置13驅(qū)動(dòng)傳送裝置11和成膜裝置12以將傳送裝置11上的 基底S裝入預(yù)處理室F0以對(duì)基底S的表面進(jìn)行濺射清洗。此外，控制裝置13 驅(qū)動(dòng)成膜裝置12以將所述基底從預(yù)處理室F0依次傳送到反鐵磁層室Fl、固定 層室F2、非磁性層室F3、及自由層室F4以將襯墊電極層、反鐵磁層、固定層、 非磁性層、自由層、及保護(hù)層依次層疊在已清洗的基底S的表面上。這樣，控 制裝置13形成包括襯墊電極層、反鐵磁層、固定層、非磁性層、自由層、及 保護(hù)層的磁阻元件。
現(xiàn)描述反鐵磁層室F1。圖2為示出反鐵磁層室F1的側(cè)視剖視圖。
如圖2所示，反鐵磁層室Fl包括連接至傳送室FX的真空箱(下文簡(jiǎn)稱為 成膜區(qū)域21a)，并且將基底S從傳送室FX裝入腔室主體21的內(nèi)部。 一實(shí)施例中，腔室主體21的內(nèi)部稱為成膜區(qū)域21a (成膜室)。
腔室主體21經(jīng)由供給管22連接至作為供給單元的質(zhì)量流量控制器MFC。 該質(zhì)量流量控制器MFC將作為處理氣體的氪(Kr)和氙(Xe)中的至少一種 供給到成膜區(qū)域21a。 一實(shí)施例中，以Kr或Xe作為處理氣體的成膜處理分別 稱為Kr處理或Xe處理。以Ar作為處理氣體的成膜處理稱為Ar處理。
此外，腔室主體21經(jīng)由排氣管23連接至構(gòu)成減壓?jiǎn)卧呐欧艈卧狿U。 排放單元PU為由渦輪分子泵或旋轉(zhuǎn)泵形成的排放系統(tǒng)，并且將供給有處理氣 體的成膜區(qū)域21a的壓力降低至預(yù)定壓力。 一實(shí)施例中，成膜區(qū)域21a的壓力 稱為處理壓力Ps。處理壓力Ps小于等于0.1 (Pa)，最好為0.1 (Pa) 0.04 (Pa)。當(dāng)處理壓力Ps變得大于0.1 (Pa)時(shí)，難以獲得均勻的反鐵磁層組合 物以及均勻的膜厚度。此外，當(dāng)處理壓力Ps變得小于0.02 (Pa)時(shí)，成膜區(qū)域 21a中不具有等離子體穩(wěn)定性。
腔室主體21的成膜區(qū)域21a包括構(gòu)成加熱單元的基底架24，以及下側(cè)防 粘合板25?；准?4包括加熱器(未示)，將容納的基底S加熱到預(yù)定層， 并且對(duì)基底S進(jìn)行定位和固定。 一實(shí)施例中，成膜處理期間基底S的溫度稱為 基底溫度Tsub?；诇囟萒^高于20°C，最好為100。C 40(TC。當(dāng)基底溫度 Tsub變得小于等于10(TC時(shí)，變得難以獲得Ll2有序相。當(dāng)基底溫度Tsub變得大 于40(TC時(shí)，基底S之類的底層被熱損壞。
連接至基底架電動(dòng)機(jī)26的輸出軸并且由其驅(qū)動(dòng)的基底架24繞中心軸A旋 轉(zhuǎn)，以使得基底S沿圓周方向旋轉(zhuǎn)?；准?4沿基底S的整個(gè)圓周面對(duì)來(lái)自 單一方向的濺射粒子進(jìn)行散射，以改進(jìn)堆積物的面內(nèi)均勻性。下側(cè)防粘合板25 繞基底架24延伸，并且防止濺射粒子粘附至形成成膜區(qū)域21a的內(nèi)表面。
腔室主體21包括多個(gè)設(shè)在基底架24斜上方的陰極。 一實(shí)施例中，如圖2 所示，左邊的陰極27稱為第一陰極27a，右邊的陰極27稱為第二陰極27b。
各陰極27包括封裝板28，并且經(jīng)由相應(yīng)的封裝板28連接至外部電源(未 示)。各外部電源向相應(yīng)的封裝板28供給預(yù)定的DC電力。 一實(shí)施例中，施加 至各封裝板28的電力密度稱為所施加的電力密度PD。所施加的電力密度PD設(shè) 為使得反鐵磁層的成分比X的范圍為20 (原子％) ^X^30 (原子％)。
各陰極27包括位于相應(yīng)封裝板28的下側(cè)的耙T。用于第一陰極27a的耙 T的主要成分是形成底層陰極層的元素，用于第二陰極27b的耙T的主要成分 是形成反鐵磁層的元素。用于第二陰極27b的靶T為與形成反鐵磁層的元素相 同的元素中的一種，并且包括60 (原子％) 90 (原子％)的錳(反鐵磁層的 主要成分)。
各靶T為盤形，并且暴露在成膜區(qū)域21a中。此外，各靶T的內(nèi)表面的法 線相對(duì)于基底S的法線(中心軸A)傾斜預(yù)定的角度(例如，22°)。 一實(shí)施例中，第一陰極27a的靶T稱為第一靶Tl，第二陰極27b的靶T稱為第二靶T2。
各陰極27包括磁路MG和設(shè)在相應(yīng)的封裝板28的上側(cè)的陰極電機(jī)M。各 磁路MG形成沿相應(yīng)耙T的內(nèi)表面的磁控磁場(chǎng)，并且在靶T附近生成高密度等 離子體。各磁路MG連接至相應(yīng)陰極電機(jī)M的輸出軸且由其驅(qū)動(dòng)。當(dāng)陰極電機(jī) M受驅(qū)動(dòng)時(shí)，磁路MG沿相應(yīng)耙T的平面方向旋轉(zhuǎn)。各陰極電機(jī)M使得相應(yīng) 磁路MG的磁控磁場(chǎng)沿相應(yīng)耙T的整個(gè)周面移動(dòng)，以增進(jìn)腐蝕均勻性。
上側(cè)防粘合板29設(shè)在腔室主體21的成膜區(qū)域21a上。上側(cè)防粘合板29 設(shè)為完全覆蓋成膜區(qū)域21a的上側(cè)，并且防止濺射粒子粘附到形成成膜區(qū)域21a 的內(nèi)壁上。上側(cè)防粘合板29包括設(shè)在朝向各靶T之區(qū)域的閘29a。當(dāng)將預(yù)定的 電力供給至相應(yīng)的靶T時(shí)，各閘29a打開一個(gè)朝向靶T的開口，從而能用靶T 進(jìn)行濺射。此外，當(dāng)未對(duì)靶T供電時(shí)，各閘29a閉合該朝向靶T的開口，并且 禁止用該靶T進(jìn)行濺射。
當(dāng)開始在襯墊電極層和反鐵磁層上進(jìn)行成膜處理時(shí)，控制裝置13驅(qū)動(dòng)且 控制質(zhì)量流量控制器MFC，并且將Kr和Xe中的至少一種供給到成膜區(qū)域21a。 此外，控制裝置13驅(qū)動(dòng)且控制排放單元PU以將成膜區(qū)域21a的壓力調(diào)節(jié)為小 于等于O.l (Pa)，并且形成低壓環(huán)境?？刂蒲b置13驅(qū)動(dòng)且控制基底架電動(dòng)機(jī) 26和第一陰極27a以對(duì)第一靶Tl進(jìn)行濺射。然后，控制裝置13驅(qū)動(dòng)且控制基 底架電動(dòng)機(jī)26和第二陰極27b以對(duì)第二靶T2進(jìn)行濺射。g卩，控制裝置13在 包括Kr和Xe中至少一種的低壓氣氛下對(duì)第一靶Tl和第二靶T2進(jìn)行濺射，以 將襯墊電極層和反鐵磁層層疊在已加熱至預(yù)定溫度的基底S上。
當(dāng)處理氣體與靶原子正面撞擊時(shí)， 一般地，散射角為90。的反沖粒子和散 射角為180。的反沖粒子的能量分別由Vc《Mt-Mg)/(Mt+Mg)和Vc(Mt-Mg) 2/ (Mt+M(j) 2表示。此處，Vc表示施加在處理氣體的靶表面上的加速電壓， Mt和Me分別表示靶原子的質(zhì)量和處理氣體的質(zhì)量。
Ar原子的摩爾質(zhì)量為40.0 (g/mo1)，而Kr原子和Xe原子的摩爾質(zhì)量分 別為83.8 (g/mo1)和131.30 (g/mo1)。與使用Ar處理相比，使用Kr處理或 者Xe處理可減小反沖粒子的能量。由此，Kr處理或者Xe處理減少了妨礙Ll2 有序相的反沖粒子的數(shù)量及其能量，并且減少對(duì)Ll2有序相的損害。Kr處理或 者Xe處理加強(qiáng)反鐵磁層的Ll2有序相形成，以使得反鐵磁層和固定層的疊層 膜具有較高的單方向各向異性常數(shù)Jk。
現(xiàn)以實(shí)例來(lái)描述本發(fā)明。
首先，以直徑為200mm的硅晶片為基底。通過(guò)制造裝置10在基底S上執(zhí) 行成膜處理，以獲得Ta (5nm) /Ru (20nm) /Mnlr (10nm) /CoFe (4nm)/Ru (lnm) /Ta (2nm)的疊層膜。
具體地，反鐵磁層室Fl用來(lái)將5nm厚的Ta膜和20nm厚的Ru膜層疊， 然后形成10nm厚的Mnlr膜以獲得反鐵磁層。成分為1^!17711"23且直徑為125mm 的合金靶用作第二靶T2?；譙和靶T的距離沿各靶T的法線方向設(shè)為200mm。 此外，以Kr為處理氣體。
接著，固定層室F2和自由層室F4用來(lái)形成4nm厚的Co7。Fe3()膜且獲得固 定層，然后形成lnm厚的Ru膜和2nm厚的Ta膜以獲得保護(hù)層。
當(dāng)形成襯墊層、固定層和保護(hù)層時(shí)，基底的溫度調(diào)節(jié)為2(TC。當(dāng)形成反鐵 磁層時(shí)，基底溫度Lub調(diào)節(jié)為350°C，對(duì)所述靶施加的電力密度PD調(diào)節(jié)為2.04 (W/cm2),且處理壓力Ps調(diào)節(jié)為0.04 (Pa)，以獲得本實(shí)例的疊層膜。
此外，當(dāng)形成反鐵磁層時(shí)，改變基底溫度Tsub、所施加的電力密度Po、處 理壓力Ps及處理氣體中的至少一個(gè)，其余參數(shù)保持為與本實(shí)例相同，以獲得對(duì) 照例的疊層膜。
基底溫度Tsub: 20 rc) 、 200 rc) 、 250 rc) 、 400 rc)
施加的電力密度PD: 0.41 (W/cm2) 、 0.81 (W/cm2) 、 1.22 (W/cm2)、 1.63 (W/cm2) 、 2.44 (W/cm2)
處理壓力Ps: 0.1 (Pa) 、 0.2 (Pa) 、 0.4 (Pa) 、 1.0 (Pa) 、 2.0 (Pa) 處理氣體Ar
對(duì)于各疊層膜，在室溫下獲得磁滯曲線以計(jì)算疊層膜的單方向各向異性常 數(shù)Jk。此外，在室溫下測(cè)量各疊層膜的薄膜電阻值以計(jì)算各疊層膜的電阻均勻 性。以公式j(luò)k二M^C^Hex計(jì)算單方向各向異性常數(shù)jk。此處，H^代表磁滯曲 線中朝向所施加的磁場(chǎng)方向的變化磁場(chǎng)的量級(jí)(下文簡(jiǎn)稱為交換耦合磁場(chǎng)He》。 此外，Ms和dF分別代表固定層(Co7oFe3o膜)的飽和磁化Ms和該固定層的厚 度dF。
圖3示出了單方向各向異性常數(shù)jk與施加的電力密度Pd的相夫性，圖4
示出了單方向各向異性常數(shù)jk與處理壓力Ps的相關(guān)性。圖3中，單方向各向 異性常數(shù)jk的處理壓力Ps為2.0 (Pa)，且圖4中的基底溫度T^為2CTC和 35(TC。此外，圖5示出了晶片平面內(nèi)的電阻均勻性與處理壓力Ps的相關(guān)性， 圖6示出了交換耦合磁場(chǎng)Hex的電阻均勻性與處理壓力Ps的相關(guān)性。
圖3中，單方向各向異性常數(shù)jk隨著施加的電力密度PD增大而增大。當(dāng)
施加的電力密度Pd相同吋，單方向各向異性常數(shù)Jk隨著基底溫度Lub上升而 增大。在與Ar處理相同的方式中(見圖8)，這一與所施加電力密度Po的相 關(guān)性意味著所施加電力密度Pd的増大會(huì)使得Mnlr薄膜的組成更接近Mn3Ir。
此外，與基底溫度Tsub的相關(guān)性意味著基底溫度Tsub的增大會(huì)促進(jìn)Lh有序相
10的形成。
因此，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)氖┘拥碾娏γ芏萈D和基底溫度Tsub，例如35(TC的 基底溫度和2.04 (W/cm2)的所施加電力密度Po， Kr處理獲得的適于獲得Ll2 有序相的成分和結(jié)晶度。
圖4中，當(dāng)基底溫度Lub為35(TC時(shí)，與處理壓力Ps無(wú)關(guān)，單方向各向異 性常數(shù)JK的值為接近1.0 (erg/cm2)的較高值。這一低壓處理中的單方向各向 異性常數(shù)Jk與Ar處理有很大的不同，并且意味著極大地促進(jìn)了 Lh有序相的 形成。相反，當(dāng)基底溫度T^為2(TC時(shí)，單方向各向異性常數(shù)Jk的相夫性與 Ar處理(見圖9)的相關(guān)性類似。然而，Kr處理的單方向各向異性常數(shù)JK為 約0.6 (erg/cm2)，并且其值比低壓下的Ar處理(見圖9)的值來(lái)得高。艮P ， 根據(jù)從施加的電力密度PD、基底溫度Tsub、及處理壓力Ps所獲得的成分和結(jié)晶 度，Kr處理促進(jìn)了 Ll2有序相的形成。
因此，與Ar處理相比，當(dāng)處理壓力Ps小于O.l (Pa)時(shí)，Kr處理的單方 向各向異性常數(shù)Jk大于Ar處理，并且可通過(guò)加熱基底S而進(jìn)一步增大單方向 各向異性常數(shù)JK。 Kr處理中，當(dāng)處理壓力P"j、于等于0.1 (Pa)且基底溫度 Lub大于等于IO(TC時(shí)，可獲得接近1.0(erg/cm2)的高單方向各向異性常數(shù)JK。
如圖5所示，當(dāng)處理壓力Ps小于等于O.l (Pa)時(shí)，Ar處理中，疊層膜的 電阻均勻性在lo處為1% 2%，而Kr處理中為小于等于1%。當(dāng)處理壓力Ps 為0.1 1.0 (Pa)時(shí)，Ar處理中疊層膜的電阻均勻性保持為約1.0%，而Kr處 理中增大為約5%。當(dāng)處理壓力Ps超過(guò)1.0 (Pa)，疊層膜的電阻均勻性增大 至超過(guò)10%的值，與處理氣體的類型無(wú)關(guān)。與處理壓力Ps的相關(guān)性意味著， 成膜速度隨著平均自由程的減小而降低，并且濺射粒子的濺射或然率的差增大 了膜厚度差異和晶片平面內(nèi)的成分比差異，且極大地降低疊層膜的電阻均勻性。
因此，當(dāng)處理壓力Ps小于等于O.l (Pa)時(shí)，Kr處理增大單方向各向異性
常數(shù)JK并且獲得就膜厚度和晶片平面內(nèi)成分而言滿意的均勻性。
如圖6所示，當(dāng)Kr處理的處理壓力Ps為0.04(Pa)時(shí)，晶片位置為5mm 85mm(晶片的中心部與邊緣部之間)之間的疊層膜交換耦合磁場(chǎng)Hex為大致不 變的值。當(dāng)Kr處理的處理壓力Ps為1.0 (Pa)時(shí)，中心部與邊緣部之間的疊層 膜交換耦合磁場(chǎng)Hex有稍微的變化。相反，當(dāng)Ar處理的處理壓力Ps為l.O(Pa) 時(shí)，疊層膜交換耦合磁場(chǎng)Hex從晶片中心沿徑向變小，藉此造成晶片平面內(nèi)有 較大的變化。如前所述的相同方式，處理壓力Ps以及與處理氣體的相關(guān)性意味
著成膜速度隨著平均自由程減小而降低，并且濺射粒子的濺射或然率的差增大 了膜厚度差異和晶片平面內(nèi)的成分比差異，且極大地降低疊層膜的電阻均勻性。因此，當(dāng)處理壓力Ps小于等于O.l (Pa)時(shí)，Kr處理增大單方向各向異性
常數(shù)JK并且獲得就膜厚度和晶片平面內(nèi)成分而言滿意的均勻性。
現(xiàn)描述使用磁性器件制造裝置10來(lái)制造用作磁性器件的磁性存儲(chǔ)器30。 圖7為磁性存儲(chǔ)器30的示意剖視圖。
磁性存儲(chǔ)器30的基底S上形成有薄膜晶體管Tr。薄膜晶體管Tr包括經(jīng)由 接觸插塞CP、導(dǎo)線ML、下電極層31連接至磁阻元件32的擴(kuò)散層LD。磁阻 元件32為包括層疊在下電極層34上側(cè)的反鐵磁層33、固定層34、非磁性層 35、自由層36的TMR元件。
從下電極層31向下間隔的字線WL設(shè)在磁阻元件32的下側(cè)。字線WL為 帶狀，并且形成為沿垂直于附圖平面的方向延伸。設(shè)在磁阻元件32上方的帶 狀位線BL沿垂直于字線WL的方向延伸。由此，磁阻元件32設(shè)在相互垂直的 字線WL和位線BL之間。
使用制造裝置10通過(guò)對(duì)下電極層31、反鐵磁層33、固定層34、非磁性層 35、自由層36進(jìn)行層疊并且對(duì)各層進(jìn)行蝕刻，而形成磁阻元件32。使用制造 裝置10制造的磁阻元件32將反鐵磁層33/固定層34的單方向各向異性常數(shù)JK 穩(wěn)定為約1.0 (erg/cm2)的較高水平，并且改進(jìn)反鐵磁層33的厚度均勻性。從 而，改進(jìn)了磁性存儲(chǔ)器30的器件特性。
本實(shí)施例的制造裝置10 (制造方法)以及由制造裝置IO制造的磁性器件 具有如下優(yōu)點(diǎn)。
(1 ) 制造裝置10將成膜區(qū)域21a中放置在基底架24上的基底S加熱 至預(yù)定溫度，并且將處理壓力Ps降低至小于等于O.l (Pa)。此外，制造裝置 lO使用Kr和Xe中的至少-種作為處理氣體對(duì)主要成分為形成反鐵磁層之元素 的第二靶T2進(jìn)行濺射，以形成反鐵磁層。
如現(xiàn)有技術(shù)中以Ar作為處理氣體時(shí)，在濺射期間反沖的Ar粒子的平均自 由程隨著處理壓力Ps變小而增大。該反沖Ar粒子，即指其Ar離子在濺射期間 對(duì)著靶撞擊的Ar粒子，并不對(duì)形成靶的元素進(jìn)行濺射、消耗電荷、且變得散 射。低壓處理中，具有較高動(dòng)能的反沖Ar粒子對(duì)著基板上的反鐵磁層進(jìn)行照 射。反沖Ar粒子的照射對(duì)生長(zhǎng)在基底上的形成Ll2有序相靶的元素(例如， Mn原子、Ir原子等)進(jìn)行物理上的蝕刻，并且極大地?fù)p壞該Ll2有序相。本發(fā) 明的發(fā)明人關(guān)注由作為低壓處理使得單方向各向異性常數(shù)JK下降的因素之一 的反沖Ar粒子造成的Ll2有序相破壞。在檢查反沖處理氣體粒子所降低的能量 時(shí)，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)當(dāng)至少使用Kr和Xe中的一種作為處理氣體時(shí)，無(wú)論 如何處理壓力Ps，單方向各向異性常數(shù)Jk具有約1.0 (erg/cm2)的高水平。因此，使用Kr和Xe中的至少一種作為處理氣體增進(jìn)了 Ll2有序相的生長(zhǎng)。 從而，在濺射期間的壓力小于等于0.1 (Pa)的低壓處理中，單方向各向異性 常數(shù)Jk得以増大，并且反鐵磁層的成分和厚度的均勻性得以提升。從而，磁性 器件的磁特性得以增進(jìn)。
(2) 制造裝置IO將基底S加熱至預(yù)定溫度(最好為100°C 400°C) 以形成反鐵磁層。因此，在濺射期間的壓力小于等于O.l (Pa)的低壓處理中， 以可靠的方式增進(jìn)了 Lh有序相的生長(zhǎng)。
可對(duì)上述實(shí)施例作如下修改。
上述實(shí)施例的處理氣體可為Kr和Xe的氣體混合物，或者為包括Kr和Xe 中的至少一種的氣體。
上述實(shí)施例中，反鐵磁層室F1為DC磁控濺射裝置。然而，本發(fā)明并不限 于這一方式。例如，反鐵磁層室Fl可為RF磁控型，或者具有不使用該磁路 MG的結(jié)構(gòu)。
上述實(shí)施例中，磁性器件為磁性存儲(chǔ)器30。然而，本發(fā)明并不限于這一方 式。例如，磁性器件可為磁性傳感器或者磁性再生頭，只要是包括Ll2有序相 的反鐵磁層的磁性器件即可。
權(quán)利要求
1、一種磁性器件的制造方法，其通過(guò)在基底上形成包括由組成式Mn100-X-MX(M為Ru、Rh、Ir及Pt中的至少一種，X的取值范圍為20(原子％)≤X≤30(原子％))表示的L12有序相的反鐵磁層而制造磁性器件，所述磁性器件制造方法包括將所述基底放置在成膜室中；將所述基底加熱至預(yù)定溫度；將所述成膜室的壓力減小至小于等于0.1(Pa)；且在已減壓的所述成膜室中，通過(guò)使用Kr和Xe中的至少一種對(duì)主要成分為形成所述反鐵磁層之元素的靶進(jìn)行濺射，從而在所述基底上形成所述反鐵磁層。
2、 如權(quán)利要求1所述的磁性器件制造方法，其中所述形成所述反鐵磁層包括 在加熱至100。C 40(TC的所述基底上形成所述反鐵磁層。
3、 一種磁性器件制造裝置，其通過(guò)在基底上形成包括由組成式Mn，oc-Mx(M為Ru、Rh、Ir及Pt中的至少一種，X的取值范圍為20(原子％)^^30 (原子％))表示的Ll2有序相的反鐵磁層而制造磁性器件，所述磁性器 件制造裝置包括容納所述基底的成膜室； 減小所述成膜室的壓力的減壓?jiǎn)卧?對(duì)所述成膜室中的所述基底進(jìn)行加熱的加熱單元； 陰極，其包括主要成分為形成所述反鐵磁層之元素的耙； 向所述成膜室供給Kr和Xe中至少一種的供給單元； 控制單元，其驅(qū)動(dòng)所述加熱單元以將所述基底加熱至預(yù)定溫度、驅(qū)動(dòng) 所述減壓?jiǎn)卧詫⑺龀赡な业膲毫p小至小于等于0.1 (Pa)、驅(qū)動(dòng)所 述供給單元以向所述成膜室供給Kr和Xe中至少一種、及驅(qū)動(dòng)所述陰極以 對(duì)所述靶進(jìn)行濺射并且在已減壓的所述成膜室中的所述基底上形成所述 反鐵磁層。
4、 如權(quán)利要求3所述的磁性器件制造裝置，其中所述控制單元驅(qū)動(dòng)所述加熱 單元以將所述基底加熱至100°C 400°C。
5、 一種磁性器件，包括反鐵磁層，其包括由組成式Mn1W).x-Mx (M為Ru、 Rh、 Ir及Pt中的 至少一種，X的取值范圍為20 (原子％) ^Xg0 (原子％))表示的Lh 有序相；其中所述反鐵磁層由如權(quán)利要求3或4所述的磁性器件制造裝置制造。
全文摘要
一種增大單方向各向異性常數(shù)(J_K)的磁性器件制造裝置?；?S)放置在成膜區(qū)域(21a)中的基底架(24)上，將基底(S)加熱至預(yù)定溫度，并且將處理壓力減小至小于等于1.0(Pa)。使用Kr和Xe中的至少一種對(duì)主要成分為形成反鐵磁層之元素的靶進(jìn)行濺射以形成反鐵磁層。所述反鐵磁層包括由組成式Mn_100-X-M_X(M為Ru、Rh、Ir及Pt中的至少一種，X的取值范圍為20(原子％)≤X≤30(原子％))表示的L1₂有序相。
文檔編號(hào)H01L21/8246GK101689601SQ20088001970
公開日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2008年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月11日
發(fā)明者今北健一 申請(qǐng)人:株式會(huì)社愛(ài)發(fā)科